光电化学电极的研究及其在太阳能转化方面的应用

TiO2半导体光电极的发现引发了科学界大量关于半导体光电极的研究.目前,对TiO2的掺杂,对新材料的探索以及对异质结的深入研究,目的都是为了提高半导体光电极的太阳光利用效率.敏化太阳能电池的出现是半导体光电极在实用化方面迈进的一大步.文章简述半导体光电极的研究历史,并对该领域将来的研究方向进行了展望.     

表面修饰纳米TiO2的贮氢合金电极的光充电行为

采用水解-沉淀法制备了锐钛矿结构的纳米级TiO2,研究了表面修饰TiO2的贮氢合金电极的光充电、循环伏安及交流阻抗特性.结果表明,表面未修饰TiO2的贮氢合金电极在光照下电极电位基本无变化,而表面修饰TiO2的贮氢合金电极在光照下,电极电位向负方向偏移,可达-0.835V,表明在光照射条件下电极表面有氢原子形成.电化学阻抗谱的结果也表明,表面修饰电极在光照时表面有吸附氢存在,并存在氢原子向贮氢合金内部的扩散过程.扫描电镜观察表明,表面修饰TiO2的贮氢合金电极在光充电后产生的氢原子被贮氢合金吸收引起膨胀,导致表面出现大量微裂纹.     

空气电极/AC作载体对TiO2光催化性能的影响

研究了空气电极和活性碳 (AC)作载体对TiO2 光催化氧化活性艳红 (K 2BP)性能的影响 .实验结果表明 ,用空气电极 /AC作载体能显著提高TiO2 的光催化反应速度 ;空气电极不仅具有良好的合成H2 O2 的性能 ,而且对TiO2 光催化剂可产生大约 +0 .5V的偏压作用 ,大大减小了TiO2 光生电荷的复合几率 ;AC对有机物分子良好的吸附作用提高了有机物分子在TiO2 表面及周围的富集浓度 ,其含量在 2 1%左右可使光催化剂达到最佳的催化效果 .复合电极工作电流密度对活性艳红的氧化脱色速度有影响 ,i=15mA/cm2 ,速度达到最大 ;活性艳红分子在复合电极表面的吸附受溶液pH值的影响 ;提出了复合电极的工作原理 .     

不对称菁染料敏化纳米TiO2的光生电流过程

用光电化学方法研究了不对称菁类染料敏化TiO2 纳米结构电极的光电转换过程 .结果表明 ,该染料的电子激发态能级位置与TiO2 纳米粒子导带边位置匹配较好 ,光激发染料后 ,其激发态电子可以注入到TiO2 纳米多孔膜的导带 ,从而使TiO2 纳米结构电极的吸收光谱和光电流谱红移至可见光区 ,其IPCE(Incidentphoton to electronconversionefficiency)值最高可达 84.3 % .并进一步结合现场紫外 可见吸收光谱研究了外加电势对激发态染料往TiO2 纳米多孔膜注入电子过程的影响     

掺钴氧化钛电极的制备、表征及其光电性能

采用溶胶 凝胶法在纯钛片上制备了掺Co氧化钛薄膜光电极 ,运用扫描电子显微镜 (SEM )、X射线衍射 (XRD)等分析手段对其进行表征 ,并对其结构和性能的相互关系进行了研究 .结果表明 ,掺 5 %Co ,5 0 0℃热处理的TiO2 电极具有最大的可见光响应 .过量的Co掺入将析出新相CoTiO3 ,并促使TiO2 由锐钛矿型转变为金红石型 ,使电极光电效应减低 .而高温处理的掺钴TiO2 也将析出CoTiO3 ,对电极光电性能有阻碍作用     

纳米半导体表面光诱导电子传递动力学--以4-oxo-TEMPO为电子受体TiO2表面光还原效率的ESR研究

以4-氧-2,2,6,6-四甲基哌啶酮(4-oxo-2,2,6,6,-tetramethyl-1-piperdinyloxy简称4-oxo-TEMPO)作为电子受体,利用消自旋(Spin counteraction)的ESR方法,定量研究了TiO2纳米半导体表面光诱导电子传递动力学,确定了TiO2纳米半导体表面光还原速率方程和反应动力学常数.结果发现,在本实验体系中,TiO2纳米半导体表面光还原对于底物是零级反应,而对于TiO2则为一级反应,所测得的反应动力学常数能定量地表示TiO2纳米半导体表面的光还原效率.不同波长光照及相异pH值对TiO2纳米半导体表面光还原速率有不同程度的影响.     

用光声技术研究半导体TiO2,ZnO纳米晶粉的光学特性

应用新型的光声光谱技术,研究了不同种类和不同制备工艺条件的半导体纳米晶粉的光学特性,测量了半导体TiO2、ZnO和掺铝ZnO纳米晶粉的光声光谱,获得了这些半导体纳米晶粉的带隙和光谱吸收系数.研究结果表明,相同种类和相同颗粒形状的半导体纳米晶粉的粒径越小,光学吸收系数越大.半导体纳米晶粉的带隙与相同种类纳米颗粒形状(圆球...     

印刷制作的双半导体底层碳纳米管薄膜阴极的稳定电子发射

应用带保护气进行烧结的方法,制作了一种双半导体底层碳纳米管薄膜阴极.利用烧结的银浆形成条形银电极,在条形银电极表面制作了具有相同宽度且平行排列的ZnO掺杂底层和TiO2掺杂底层,在掺杂底层上面制备了碳纳米管膜层.由于保护气的防氧化屏蔽,碳纳米管膜层中的碳纳米管未受损害,ZnO粒子和TiO2粒子也在烧结过程中得到了很好地保护,双半导体底层碳纳米管薄膜阴极获得更优的电子发射特性,且电子发射稳定性也得到有效增强.与普通条形银电极碳纳米管阴极相比,双半导体底层碳纳米管薄膜阴极能够将开启电场从2.09V/μm降低到1.91V/μm,将最大电子发射电流从1 653.5μA提高到2 672.9μA.在2.69V/μm电场作用下,普通条形银电极碳纳米管阴极的电子发射电流仅为421.1μA,而双半导体底层碳纳米管薄膜阴极的电子发射电流能够达到723.5μA.从发射电流稳定性实验曲线可以看出,双半导体底层碳纳米管薄膜阴极实现了稳定的电子发射,表明ZnO掺杂底层和TiO2掺杂底层能够应用于真空环境.利用数码相机获得了具有良好质量的发射图像,验证了双半导体底层碳纳米管薄膜阴极制作的可行性和适用性.     

新型复合电极对偶氮染料分子的光催化降解

介绍了具有合成H2 O2 和光催化性能的双功能新型复合电极 ,并用X射线衍射、扫描电镜等方法进行了表征 .双功能复合电极是将TiO2 光催化剂负载在活性碳 (AC)和具有合成H2 O2 性能的新型载体空气电极上形成的 .在复合电极作阴极的光反应器中 ,·OH和TiO2 光催化剂的存在实现了光化学氧化与光催化氧化在同一电极 /溶液界面上的联合作用 .实验结果表明 ,复合电极对提高偶氮染料分子活性艳红 (K 2BP)的氧化降解速度起了重要作用 ,仅反应 3min ,脱色率可达 4 9% ;反应 80min ,偶氮染料分子COD去除率可达 4 7% .     

纳米TiO_2∶Zn薄膜电极紫外光电特性研究

采用sol-gel法制备了Zn2 掺杂的锐钛矿相纳米TiO2薄膜电极.通过光电流作用谱和电流-电位(I-U)曲线研究了掺杂不同浓度Zn2 的TiO2薄膜电极的光电特性.由光电流作用谱可知,Zn2 的掺杂可显著影响薄膜电极的光电流大小,且掺杂的最佳浓度与薄膜晶粒尺度有关.在320nm单色光照射下,掺杂浓度(摩尔浓度)为0.1%的薄膜电极光电流最大,与未掺杂的本征薄膜电极相比增幅达40%.I-U曲线表明,光照下,随电极电位由正到负逐渐降低,不同掺杂浓度的TiO2薄膜电极中均出现了阳极电流向阴极电流转换的现象,且Zn2 掺杂浓度可影响电极阳极电流的初始电位.另外,无光照的暗态下,各薄膜在负电位区域观察到了相似的随电位降低而迅速增大的阴极暗电流.     

Rational design of photoelectrodes for photoelectrochemical water splitting and CO2 reduction

Solar energy has promising potential for building sustainable society. Conversion of solar energy into solar fuels plays a crucial role in overcoming the intermittent nature of the renewable energy source. A photoelectrochemical (PEC) cell that employs semiconductor as photoelectrode to split water into hydrogen or fixing carbon dioxide (CO₂) into hydrocarbon fuels provides great potential to achieve zero-carbon-emission society. A proper design of these semiconductor photoelectrodes thus directly influences the performance of the PEC cell. In this review, we investigate the strategies that have been put towards the design of efficient photoelectrodes for PEC water splitting and CO₂ reduction in recent years and provide some future design directions toward next-generation PEC cells for water splitting and CO₂ reduction.     

P-N半导体复合型光电极分解水的原理及应用

利用太阳光分解水制氢是解决能源短缺的重要途径.文章概述了光电极分解水的原理,P-N半导体复合型光电极的两种结构及其近期的科研成果.对开展全氧化物混合光电极的研究进行了简介和展望.     

P-N半导体复合型光电极分解水的原理及应用

利用太阳光分解水制氢是解决能源短缺的重要途径．文章概述了光电极分解水的原理，P—N半导体复合型光电极的两种结构及其近期的科研成果．对开展全氧化物混合光电极的研究进行了简介和展望．     

Improved Voltage and Fill Factor by Using Zinc Oxide Thin Film as a Barrier Layer in Dye-Sensitized Solar Cells

A series of dye-sensitized solar cells based on ZnO-modified TiO2 nano-porous films have been prepared. The current-voltage characteristics of the cells show that the ZnO-modification can improve the open-circuit voltage and the fill factor but can decrease the short-circuit current. Dark current and transient photovoltage measurements are used to study the back reaction. It is indicated that the recombination process is suppressed by blocking the hole transporting from the nano-porous TiO2 since the surface of the semiconductor is almost fully covered with ZnO as a barrier layer.     

染料敏化太阳电池及其进展

文章介绍了染料敏化太阳电池的研究背景和发展过程,简述了基于纳米TiO2半导体电极材料的染料敏化太阳电池的基本结构和工作机理.详细阐述了该电池国内外各项关键技术的实验和产业化研究最新成果,着重分析了染料敏化太阳电池的未来发展趋势,并对该电池的应用前景进行了展望.     

Synthesis and application of TiO_2 single-crystal nanorod arrays grown by multicycle hydrothermal for dye-sensitized solar cells

TiO2 is a wide band gap semiconductor with important applications in photovoltaic cells. Vertically aligned Tit2 nanorod arrays （NRs） are grown on the fluorine-doped tin oxide （FTO） substrates by a multicycle hydrothermal synthesis process. The samples are characterized by X-ray diffraction （XRD）, scanning electron microscopy （SEM）, high-resolution transmission electron microscopy （HRTEM）, and selected-area electron diffraction （SAED）. It is found that dye-sensitized solar cells （DSSCs） assembled by the as-prepared Tit2 single-crystal NRs exhibit different trends under the condition of different nucleation and growth concentrations. Optimum cell performance is obtained with high nucleation concentration and low growth cycle concentration. The efficiency enhancement is mainly attributed to the improved specific surface area of the nanorod.     

双金属/TiO2纳米管复合结构中增强的光电流

将传统半导体材料与金属微纳结构相结合,利用其表面等离激元共振效应,可有效地增强复合结构的光电转换效率,使其广泛地被用于光电化学和光电探测等领域.本文以氧化铝纳米管为模板,采用原子层沉积技术制备出高有序的TiO2纳米管,并通过电子束热蒸发技术在大孔径的纳米管薄膜中分别负载金、铝和双金属金/铝纳米颗粒,形成金属纳米颗粒/T...     

Dye-sensitized solar cells based on different nano-oxides on plastic PET substrate

Polyethylene-terephthalate (PET) foils and glass slides coated with thin conductive layers were used as substrates for TiO2 or ZnO based photoactive electrodes of dye-sensitized solar cells (DSSC) with organo-metallic Ru-dye, standard iodine electrolyte and Pt coated FTO/glass counterelectrode (CE). Different compositions of nanoparticle oxides in forms of alcohol pastes as well as the CE paste were applied onto the substrates by screen printing or by doctor blade techniques. Photocurrents and I–V loading characteristics were measured depending on the solar cell structure and preparation, including the oxide composition, electrode conductivity and the dye type. The influence of thin TiO2 blocking layer prepared by sol–gel technique is also discussed.     

光催化二氧化碳还原研究进展

21 世纪以来,随着CO2 为主的温室气体排放量不断增加,寻求新型能源来构建低碳型社会的诉求越来越迫切。其中以太阳能驱动转化CO2 为碳氢燃料的技术,可将CO2 转化成甲烷、甲醇、甲酸或C2+ 等高附加值的碳氢燃料,是实现全球碳平衡的有效途径之一,具有巨大潜力。半导体材料是决定光催化还原CO2 过程进行的重要因素之一,因此探索和开发高效光催化功能材料是当今研究的主要方向。本文综述了近几年来作者课题组在光催化还原CO2 为碳氢燃料方面的重要研究进展,主要涉及TiO2 基系列光催化材料,V、W、Ge、Ga、C3N4 基等系列光催化材料的结构组分调控。